[논문]MOS구조에서의 원자층 증착 방법에 의한 <tex>$Ta_2O_{5}$</tex> 박막의 전기적 특성에 관한 연구

이형석; 장진민; 임장권; 하만효; 김양수; 송정면; 문병무

[국내논문] MOS구조에서의 원자층 증착 방법에 의한 $Ta_2O_{5}$ 박막의 전기적 특성에 관한 연구
A Study on the Electrical Properties of $Ta_2O_{5}$ Thin Films by Atomic Layer Deposition Method in MOS Structure 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. C/ C, 전기물성·응용부문, v.52 no.4, 2003년, pp.159 - 163

이형석 (고려대학교 전기공학과) , 장진민 (고려대학교 전기공학과) , 임장권 (고려대학교 전기공학과) , 하만효 (고려대학교 전기공학과) , 김양수 (고려대학교 전기공학과) , 송정면 (고려대학교 전기공학과) , 문병무 (고려대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

ln this work, we studied electrical characteristics and leakage current mechanism of $Ta_2O_{5}$ MOS(Metal-Oxide-Semiconductor) devices. $Ta_2O_{5}$ thin film (63 nm) was deposited by ALD(Atomic Layer Deposition) method at temperature of 235 $^{\circ}C$. The structures of the $Ta_2O_{5}$ thin films were examined by XRD(X-Ray Diffraction). From XRD, it is found that the structure of $Ta_2O_{5}$ is single phase and orthorhombic. From capacitance-voltage (C-V) anaysis, the dielectric constant was 19.4. The temperature dependence of current density-electric field (J-E) characteristics of $Ta_2O_{5}$ thin film was studied at temperature range of 300 - 423 K. In ohmic region (<0.5 MV/cm), the resistivity was 2.456${\times}10^{14}$ ($\omega{\cdot}cm$ at 348 K. The Schottky emission is dominant at lower temperature range from 300 to 323 K and Poole-Frenkel emission is dominant at higher temperature range from 348 to 423 K.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Ta(OC?H₅)5 를 전구체로 사용하여 p-형실리콘 위에서 ALD (Atomic Layer Deposition)방법으로 증착된 샘플을 MOS 구조에서 게이트 유전막으로 사용가능성에 대한 전기적, 물리적 특성을 분석해 보았다. 먼저 TaK* 의 결정성과 방향성의 분석을 위해 XRD (X-Ray Diffractometer)를 이용하였으며, 표면의 분석을 위해 SEM(Scanning Electron Microscopy)를 사용하였다.

제안 방법

TazQ;는 갓 증착된 상태에서 증착 방식에 관계없이 모두 비정질 상태를 유지하는데 후열 처리과정이나 전기적 성질을 개선시키기 위한 산소 분위기 열처리 과정에서 결정화가 일어난다[11]. 이에 550 "C에서 후열처리를 하였다. TazQ;의 두께는 a-step Profiler meter(Tencor, a-step 200)으로 사용하였으며, TaiOs 필름이 증착되지 않게 한 시료의 edge부분을 측정한 결과, 박막의 두께는 63nm였다.
또한, 주파수의 변화에 따른 C-V특성을 알아보았고, 이를 통해 Ta2O₅의 유전상수 (dielectric constant)룰 확인하였다. 300 K에서 423 K까지의 온도의 변화에 따른 누설전류 특성을 살펴보았으며, 누설전류에 대한 구체적 해석을 위해 Ta₂o₅의 전기 전도 기구로 해석되고 있는 Schottky 전도기구[12]와 Pool-Frenkel 전도 기구[13]를 통해 온도의존성을 알아보았다.
C-V 특성을 측정하기 위하여 precision LCR meter(HP 4284A)를 사용하였으며, C-V측정에서 정전용량의 변화를 관측하기 위해서 주파수를 1 kHz에서 100 kHz 범위에서 측정하였고, -15V에서 15V의 de 바이어스를 인가하여 LCR 미터로 정전용량을 측정하였다.
P-형 Si 기판 상에 형성된 Ta2O₅ 박막의 표면 구조를 알아보기 위하여 주사 전자 현미경을 통하여 박막의 표면 구조를 살펴보았다. 그림 4에 그 결과를 나타내었다.
Ta2O₅ 박막의 전기적 특성을 알아보기 위하여 열증착기를 사용하여 금(Au)으로 상부/하부 전극을 증착하였다. 전극공정 과정 중에 사용된 섀도 마스크의 면적은 2.
Ta₂o₅를 ALD법에 의해 박막을 제작하였고, 이 박막이 MOS 구조에서 게이트 유전막으로 사용가능한지에 대한 물성 및 전기적 특성을 고찰하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
먼저 TaK* 의 결정성과 방향성의 분석을 위해 XRD (X-Ray Diffractometer)를 이용하였으며, 표면의 분석을 위해 SEM(Scanning Electron Microscopy)를 사용하였다. 또한, 주파수의 변화에 따른 C-V특성을 알아보았고, 이를 통해 Ta2O₅의 유전상수 (dielectric constant)룰 확인하였다. 300 K에서 423 K까지의 온도의 변화에 따른 누설전류 특성을 살펴보았으며, 누설전류에 대한 구체적 해석을 위해 Ta₂o₅의 전기 전도 기구로 해석되고 있는 Schottky 전도기구[12]와 Pool-Frenkel 전도 기구[13]를 통해 온도의존성을 알아보았다.
측정에 사용된 전압의 범위는 0~ 5(V)였고, 지연시간은 10초로 하였다. 시료를 프로브 스테이션과 연결된 가열판 위에 올려놓고, 상온(25℃)에서 150℃까지 온도를 변화시켜 측정하였다.

대상 데이터

P-형 Si(100) 기판 위에 증착된 TazQs박막은 235℃ 의 증착온도에서 기화된 02와 Ta(OC₂Hs)5를 사용하였고 운반가스로는 고순도의 Ar가스를 사용하였다. TazQ;는 갓 증착된 상태에서 증착 방식에 관계없이 모두 비정질 상태를 유지하는데 후열 처리과정이나 전기적 성질을 개선시키기 위한 산소 분위기 열처리 과정에서 결정화가 일어난다[11].
Ta2O₅ 박막의 결정화 특성을 알아보기 위하여 XRD (SIMENS, D500)를 사용하였다. 28 20°에서 80°의 회절범위, 스텝크기는 0.
또한, I-V 특성은 일렉트로미터 (programmable Keithley 6517A)를 사용하였다. 측정에 사용된 전압의 범위는 0~ 5(V)였고, 지연시간은 10초로 하였다.
05, 스텝폭은 5(s)로 지정한 상태에서, grazing incidence technique를 사용해서 박막 성장의 단면을 볼 수 있었다. 또한, 박막의 표면구조 상태를 알아보기위하여 SEMCHitachi, S-900)을 사용하였다.

이론/모형

전기적, 물리적 특성을 분석해 보았다. 먼저 TaK* 의 결정성과 방향성의 분석을 위해 XRD (X-Ray Diffractometer)를 이용하였으며, 표면의 분석을 위해 SEM(Scanning Electron Microscopy)를 사용하였다. 또한, 주파수의 변화에 따른 C-V특성을 알아보았고, 이를 통해 Ta2O₅의 유전상수 (dielectric constant)룰 확인하였다.
5 MV/cm 이상의 고전계 영역에서는 TaaOr. 박막의 누설전류전도기구 해석방법으로 주로 사용되고 있는 Poole-Frcnk이 전도 기구와 Schottky 전도 기구 등의 해석방법U2, 13]으로 온도의존성의 관계를 설명해 보았다. 물질의 굴절률(relative index)을 기이라 할 때 다음과 같은 관계가 성립한다[14, 15],
본 연구에서는 플로형 원자층 증착법(flow-type atomic layer deposition method)를 사용하여 TazOs 박막을 제작하였다. 실험에 사용된 플로형의 반응로 장비는 그림1에 나타내었다.

성능/효과

1. 2351에서 증착된 T&O₅의 박막은 XRD의 관찰결과 (001) 면과 (110)면 등이 성장하는 전형적인 Orthorhombic 형태를 보여주었다.
2. Au/TM/Si MOS 구조의 C-V의 측정 결과로부터 유전 상수 값을 계산해 본 결과, Ta₂o₅의 유전상수는 약 19.4를 얻었다. 이는 일반적으로 알려진 Ta₂o₅의 유전상수인 20~25 인 것⑸와 비교할 때 근사한 값을 유도한 것으로 사료된다.
3. 온도의 변화에 따른 Au/Ta2O₅/Si MOS 커패시터의 선 기적 특성을 분석해 본 결과, 온도가 300 K에서 423 K 까지 증가함에 따라 누설전류가 증가하는 것을 알 수 있었고, 저항성 영역(< 0.5MV/cm)에서 비저항을 구하면, 2.4056X 1014(2 . cm) (348 K)이 나온 것을 알 수 있었으며, 0.5MV/ cm이상의 전계에서의 측정결과 300 ~ 323 K의 낮은 온도에서는 Schottky 방출 전도기구가, 348 ~423K에서는 Poole- Frenkel 방출 전도기구가 더 지배적인 누설전류전도 기구임을 확인할 수 있었다.

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김창덕, 이승환, 김종관, 이동희, 성영권 '레이저 CVD법에 의한 고품질 $Ta_2O_5$ 박막의 퇴적과 그 특성', J. ENG. SCI. & TECH., Vol.33, pp.37-42, 1996

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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